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1、再生(污)水灌溉生态风险与可持续利用陈卫平;吕斯丹;张炜铃;伊丽丽;焦文涛【摘 要】作为一个农业大国,水资源贫乏及地域分布不均匀造成了我国严重的农业 用水危机.为缓解我国农业用水危机,污水灌溉及再生水灌溉已成为解决农业灌溉水 源不足的一项重要措施.在总结污水灌溉及再生水灌溉生态风险的基础上,针对国内 研究现状,分析了我国再生水灌溉利用的可行性.研究发现,再生水灌溉的污染风险远 小于污水灌溉,且再生水灌溉还具有回用成本低、减少农作物生产成本等经济效益, 以及减少污染物向水环境中排放、改善土壤质量等环境效益.与污水灌溉相比再生 水在农业灌溉上具有较大的应用前景,应加大其推广与应用的力度.最后,根据
2、国内外 的研究现状,提出了一些再生水灌溉可持续管理措施及其安全利用的相关建议.期刊名称】生态学报年(卷),期】2014(034)001【总页数】10页(P163-172) 【关键词】 污水回用;农业灌溉;污染风险;环境效益;可持续管理【作 者】 陈卫平;吕斯丹;张炜铃;伊丽丽;焦文涛【作者单位】 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京100085;中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京100085;中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京100085;中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京100085;中国科
3、学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京 100085正文语种】中 文 我国是一个水资源贫乏且地域分布很不均匀的国家，人均水资源量仅为世界人均水 平的1/41，占全国总面积 36.5%的长江及其以南地区，拥有全国80.9%的水资 源总量，而占全国总面积 63.5%的长江以北地区，仅拥有全国19.1%的水资源总 量2。快速的经济发展进一步加剧了我国水资源的供需矛盾，目前我国年缺水总 量约为300亿至400亿m33。于此同时，我国城镇污水排放量逐年增加，2010 年我国污水排放总量为617.3亿t，比上年增加4.7%4。开发利用废污水资源， 不仅是缓解水资源供需矛盾的重要措施，也是减
4、轻环境污染的有效途径。作为一个农业大国，我国农业年用水量能达到全年总用水量的 60%以上5，较高 的农业需水量使得我国污水回用主要集中于农业灌溉。在我国，早期由于污水处理技术及设施的限制，污水回灌大多是使用未处理或处理后未达标的污水，1998 年 污水灌溉农田面积达361.8万hm26。随着再生水概念的提出、污水处理技术的 发展，达到一定水质标准的再生水逐步用于农业灌溉替代污水灌溉。我国 2008 年 再生水回用量是16.6亿m3，占污水处理总量的8%，其中28.9%用于农业灌溉 1。同未经处理或简单处理的污水相比，再生水水质大幅提高，有效降低了其环 境风险，此外再生水利用还具有节省肥料、促进
5、作物生长等经济效益，因此再生水 在农业利用方面具有较大的潜力。本文通过对我国污水利用及国内外再生水利用经验进行总结分析，明确了我国污水 再生水灌溉面临的生态风险，探讨了再生水灌溉在我国可持续利用的可行性，提出 了再生水灌溉可持续管理的措施及建议，以期推动我国再生水农业灌溉的发展，促 进我国再生水的安全利用。我国污水回灌农田可追溯到20世纪40年代7，其主要经历了4个阶段：自发阶 段（1957 年以前）、初步发展阶段（19571972 年）、迅速发展阶段（1972 年20 世纪末）、理性发展阶段（21世纪初至今）8-9。污灌面积从1963年的4.2万hm2 增加到1998年的361.8万hm2，
6、占全国灌溉总面积的7.3%6，随着污水灌溉 规模的扩大，污水成分愈发复杂，同时管理规范不同步，环境意识不高等因素，使 得污灌的负效应开始凸显，由污水灌溉导致的生态环境、卫生问题受到国内学者和 管理者的广泛关注。用于灌溉的污水一般重金属严重超标，使得国内对污水灌溉的 研究主要集中在土壤重金属污染，其污染程度受到灌溉水源、土壤性质等因素的影 响；长期污水灌溉会导致土壤出现次生盐碱化，易迁移的无机盐离子在地下水中易 超标；污灌也会使地下水中出现有机物污染；由于污灌水质较差，在大多数地区污 灌会抑制作物的生长，导致重金属在植物中累积。此外，重金属、病菌等污染物在 灌区土壤中的累积对灌区周围的居民有一定
7、的潜在健康风险，研究发现污灌区有对 人体致突变的可能性存在10；农产品中积累的重金属等污染物可以通过食物链进 入人体11-12；地下水污染也是人体健康潜在风险的来源之一13。污染物在土壤中的残留及积累是污水灌溉主要生态环境影响之一。由于灌溉污水中 重金属含量较高，国内关于土壤重金属污染的研究和报道较多。据我国农业部进行 的全国污灌区调查，在约140万hm2的污灌区中，遭受重金属污染的土地面积占 污灌区面积的64.8%，其中轻度污染面积占46.7%，中度污染面积占9.7%，严重 污染面积占8.4%14。多数研究12，15-16均发现污灌区重金属在土壤中逐渐 积累，其含量明显高于土壤的背景值，甚至
8、超过国家标准13 ，我国37个主要污 灌区中明显重金属污染的灌区有22个，其中多半是积累性重金属超标17；土壤 中重金属主要积累在耕作层18-19，并且其污染程度与污染源距离之间呈负相关 20-21。长期污灌下污水中较高的全盐量会使土壤发生次生盐碱化，总碱度和钠 碱度急剧升高，进而导致土壤板结、土壤渗透性降低22-23。关于污灌下土壤中 PAHs(polycyclic aromatic hydrocarbons )的变化研究较少，研究发现污灌区土 壤中的PAHs含量有超标现象，但是污水并不是PAHs的主要污染源，并且污灌 区的PAHs含量与其他普通农田中的含量差别不大24-25。土壤微生物是土
9、壤质量评价的重要内容之一，学者主要从土壤微生物群落和土壤酶 活性两个方面来研究了污灌对土壤微生物生态系统的影响。污灌可以改变土壤中微 生物的种群数量和多样性26，并且能够选择性地刺激土壤微生物中细菌和真菌类 群的生长27。污灌对土壤酶活性的影响受到污染物种类、土壤酶种类等因素的影 响，曹靖等28以甘肃省金昌市污灌土壤为研究对象，发现 Cu 与 Ni 复合污染对 土壤脲酶、酸性磷酸酶和碱性磷酸酶活性均表现为激活作用，对过氧化氢酶和转化 酶有轻微的抑制作用，对多酚氧化酶有较强的抑制作用。李慧等27以沈抚污灌区 为例，发现含石油烃污水灌溉能够增加土壤中脱氢酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶的 活性，且酶活性
10、随着污染程度的增加而增加，土壤脲酶则呈现相反趋势。污水进入土壤后，污水中的重金属（Cu、Pb等）能够被土壤颗粒所吸附，而污水中 的各种主要阴离子等）和阳离子（K+、Na+等）则较易通过土壤向下移动，进入浅层 地下水，使浅层地下水受到污染。研究发现，土壤具有较强吸附污水中重金属的能 力，地下水受到重金属污染的风险较小29。污水中的可与土壤胶体表面的 Ca2+ Mg2+发生离子交换反应，使地下水硬度升高、土壤含氮量增加；此外，土壤中的 会发生硝化作用，其最终产物会在短期内加重地下水的污染30-31；而污水中的 离子则易被淋洗至深层土壤或地下水中，导致地下水中浓度超标32-33；在长期 污灌下还易造
11、成地下水中Cl-的污染34-35。国内大多数污灌历史较长的灌区均 已在地下水中发现不同程度的有机物污染36-37。对污灌区地下水中致病微生物 的污染目前国内研究相对较少，韩力峰等38发现赤峰市郊区污灌区地下水中的细 菌总数、大肠菌群、肠道致病菌的检出高于清灌区。污水灌溉对植被的影响集中体现为作物产量和品质、污染物累积等方面，由于物种 灌溉水质、灌溉措施等因素的差异，污水回灌对作物的影响并不一致。污水中富含 有 N、P、K、Zn、S、B 和有机质等营养物质，污水灌溉在一定程度上能促进作 物生长39；但大多数研究表明长期连续污灌使土壤性能降低如土壤板结、通透性 降低等，进而导致作物生长缓慢、长势变
12、差、生产量下降，叶片发黄等19，40-41;此外，对于植被生长非必需的微量元素Cd、Cr和Pb等，能通过植被的根 系或其他途径进入植被并富集，影响植被生长的同时，能通过食物链进入人体 12，42。再生水是指污水经适当处理后，达到一定的水质标准，满足某种使用需求的水。由 于经济、技术等原因，再生水中仍然含有较高的全盐量、多种毒性痕量物质（重金 属、有机污染物等）、丰富的氮元素及致病微生物等，这些物质随着灌溉进入土壤- 植被系统中，有可能对土壤、植物生态系统产生危害，污染地下水，进而危害人体 健康43。据此，国内外针对于再生水灌溉下盐分、痕量污染物（重金属、有机污 染物等）、氮素、病原微生物等的潜
13、在风险进行了相关研究，研究发现再生灌溉下 土壤具有较大的盐化风险，尤其是长期灌溉，且土壤中盐分的累积会影响土壤性质 及植物生长，地下水中的含盐量也有增加的趋势;灌区土壤、地下水受重金属污染 的风险较小;新型有机污染物对土壤及地下水的影响有待进一步加强研究;氮的污 染主要是导致土壤中营养元素失衡，以及地下水中硝态氮含量增加;目前的研究表 明病原微生物对土壤、地下水污染的风险较小，但仍需进一步的研究。 再生水的含盐量一般可高于同地区自来水的 2 倍，尤其是再生水中的钠等一些可 溶性盐分离子，即使再进一步处理仍很难被有效去除44。再生水灌溉下土壤中盐 分的累积受到土壤性质、灌溉水质、气候条件等因素的
14、影响，因此不同的条件下土 壤盐分累积的程度并不相同。有研究表明，再生水灌溉下土壤中盐分会出现累积， 但并未达到盐化的程度45-46，然而也有研究表明在长期再生水灌溉下土壤会出 现一定程度的盐渍化47，还有研究发现当土壤中累积的盐分较多时会影响作物的 正常生长48-49。此外，有研究发现50再生水中较高的Na+，会引起灌溉土壤 板结，进而导致土壤的入渗性能下降;也会导致土壤孔隙度减小，从而减小土壤滞 留营养元素的能力，最终使土壤肥力下降45。对北京再生水灌区51进行实地调 查，发现再生水灌溉可导致地下水中全盐量增加，其增加的程度依赖于灌溉水质及 地理环境等因素，其中Cl-的增加较为明显。随着工业
15、污水处理能力的加强，以及工业、生活污水的分开处理，近些年再生水中 重金属含量明显降低，通常与地表水没有明显差异，大多数研究52-53均发现中 短期的再生水灌溉不足以引起土壤重金属的明显累积，土壤重金属污染风险较小； 但长期再生水灌溉土壤重金属可能累积至危害水平54。此外，再生水灌溉下重金 属主要集中在土壤2040 cm 土层55，总体上污染地下水的风险较小。再生水中 POPs(persistent organic pollutants)的含量一般较低，女口 OCPs(organochlorine pesticides)含量在 1100 ng/L，PAHs 含量在 10 1000 ng/L56，
16、相对于大气沉降等其他来源，对土壤污染的风险较小57;但是 再生水中一些新型有机物污染物(阻燃剂、塑化剂、个人护理产品等)的含量较高， 如多环麝香抗生素含量多在110 pg/L,因此这些新型污染物的再生水灌溉污染 风险逐渐受到关注，有研究表明再生水灌溉下土壤中的新型污染物含量将会增加 58。此外，研究还发现再生水灌区的地下水中能监测出一些新型污染物，但一般 浓度较小59。经过常规二级处理的再生水硝态氮含量较高，通常在10 mg/L以上，再生水中较 高的氮含量能为植物提供生长所需的氮营养元素，但不当的再生水灌溉可能会导致 土壤中氮过量，进而使植物的氮、磷、钾等营养失衡，使植物非果实部分疯狂生长， 果实产量下降，果实质量下降等48;甚至会导致易迁移的硝态氮进入地下水，进 而
